基于HAZOP和QRA的綜合風(fēng)險分析技術(shù)*

徐 欣　吳恢慶　周斌斌　李笑笑

浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院

基于HAZOP和QRA的綜合風(fēng)險分析技術(shù)*

徐 欣吳恢慶周斌斌李笑笑

浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院

本文創(chuàng)新性地提出基于HAZOP和QRA的綜合風(fēng)險分析方法，并應(yīng)用于氯苯生產(chǎn)裝置的風(fēng)險分析。結(jié)果表明：該綜合風(fēng)險分析方法不僅能更全面、更合理、更有效地找出可能導(dǎo)致事故發(fā)生的不安全因素，而且能計算出不安全因素導(dǎo)致事故發(fā)生的嚴(yán)重程度和概率，使得系統(tǒng)的危險性分析更科學(xué)、完整和全面，為有效預(yù)防和減少事故的發(fā)生提供了理論支撐。

綜合風(fēng)險分析；HAZOP； QRA；風(fēng)險矩陣

目前對石油化工企業(yè)進行風(fēng)險分析的方法達幾十種，定性方法中HAZOP分析方法、定量方法中QRA分析方法近年來在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。在氯苯裝置的風(fēng)險分析中，將HAZOP和QRA綜合應(yīng)用，取得了預(yù)期的效果。

1 HAZOP和QRA的綜合應(yīng)用

1.1HAZOP和QRA方法簡介

HAZOP（HazardandOperabilityStudy，危險與可操作性研究[1]）于1974年由ICI英國帝國化學(xué)工業(yè)公司提出。HAZOP技術(shù)是高度專業(yè)化的作業(yè)程序，是一種定性的風(fēng)險分析技術(shù)，目的是確定工藝過程針對原設(shè)計意圖而言可能發(fā)生的偏差，確定項目工藝過程和生產(chǎn)操作中潛在的危害。HAZOP的分析流程，如圖1。

QRA（Quantitative Risk Assessment，定量風(fēng)險分析），也稱概率風(fēng)險分析方法，采用定量化的概率風(fēng)險值對系統(tǒng)的危險性進行描述的風(fēng)險分析方法。QRA分析是對事故的原因、過程、后果等進行定性分析，并對事故發(fā)生的頻率和后果進行定量計算，將計算出的風(fēng)險與風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)相比較，判可接受性，提出降低風(fēng)險的建議措施[2]。QRA的分析流程，如圖2[3]。

1.2基于HAZOP和QRA的綜合風(fēng)險分析

HAZOP分析通過分析工藝過程中各種偏差產(chǎn)生的原因及后果，提出建議措施來進一步降低風(fēng)險。針對HAZOP分析辨識出來的重大風(fēng)險，結(jié)合LOPA分析，可以確定重大風(fēng)險導(dǎo)致的事故情景，是否已經(jīng)控制在可接受范圍內(nèi)[4]。HAZOP和LOPA分析的結(jié)合，可以提出較為有效可行的建議措施，但對于偏差產(chǎn)生的事故后果，需要一種定量的評價方法作為補充。

而風(fēng)險分析項目中往往存在很多危險源，危險源辨識是進行定量風(fēng)險評價（QRA）的關(guān)鍵步驟，如何選取項目中的關(guān)鍵危險源，不僅影響QRA結(jié)果的準(zhǔn)確性，也影響項目進程[5]。

基于HAZOP和QRA的綜合風(fēng)險分析的主要思路：使用 HAZOP方法分析潛在風(fēng)險；HAZOP分析小組成員根據(jù)經(jīng)驗估計風(fēng)險的基礎(chǔ)上，篩選出潛在危險中的主要危險；基于QRA進行進一步的定量風(fēng)險分析，量化主要危險帶來的風(fēng)險。基于HAZOP和QRA的綜合風(fēng)險分析，不僅可以發(fā)揮HAZOP定性風(fēng)險分析全面、系統(tǒng)、細致等優(yōu)勢，分析潛在危險，篩選主要危險，而且增加QRA定量風(fēng)險計算環(huán)節(jié)，量化事故后果，為提出降低風(fēng)險的建議措施提供理論依據(jù)。

圖1　HAZOP分析流程圖

圖2　QRA分析流程圖

2 基于HAZOP和QRA的綜合風(fēng)險分析在氯苯生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

2.1氯苯生產(chǎn)工藝

氯苯裝置主要有原料預(yù)處理、氯化、氯化尾氣吸收、氯苯精餾等生產(chǎn)工藝過程。其中，氯化為關(guān)鍵裝置，工藝流程如下：用干苯泵將干苯罐中的干苯輸送至苯高位槽，從苯高位槽底部流出的干苯經(jīng)流量計計量后連續(xù)加入氯化反應(yīng)器，來自上游離子膜裝置的合格氯氣先經(jīng)過氯氣緩沖罐緩沖，然后經(jīng)氯氣分配臺調(diào)節(jié)從氯化器底部通入，與苯同向順流而上，氯氣首先溶于苯中，與鐵觸媒反應(yīng)生成三氯化鐵，產(chǎn)生的活化氯離子與苯反應(yīng)，生成氯化苯、氯化氫氣體，控制反應(yīng)溫度在80℃附近，反應(yīng)生成物氯化液從氯化器上部出料口經(jīng)液封管進入汽提塔原料槽。氯化器頂部出來的含苯氯化氫氣體經(jīng)一段冷凝器、二段冷凝器冷凝冷卻，冷凝下來的酸性液體進入酸苯分離器，經(jīng)酸苯分離器分離出來的酸苯返回氯化反應(yīng)器，酸苯分離器底部排出的廢酸去粗氯化液儲罐。

氯化反應(yīng)器設(shè)有溫度和壓力報警，同時設(shè)有反應(yīng)器溫度與氯氣、新鮮苯進料流量連鎖。當(dāng)氯化反應(yīng)器溫度高于設(shè)定值時，調(diào)節(jié)減小氯氣進料，調(diào)節(jié)加大新鮮苯進料，以控制反應(yīng)溫度。

2.2HAZOP分析

表1為氯化反應(yīng)器HAZOP分析結(jié)果，分析得出：氯化反應(yīng)器可能發(fā)生的問題包括氯氣進料和苯進料流量偏小或無流量、氯苯反應(yīng)器尾氣系統(tǒng)憋壓、氯化反應(yīng)失控，以及由此引發(fā)的物料炭化、防腐瓷板炸裂、氯氣泄漏中毒、氯苯反應(yīng)器爆炸等嚴(yán)重事故后果。

HAZOP分析完成后，分析小組根據(jù)經(jīng)驗認(rèn)為：由氯化反應(yīng)器爆炸引起的氯氣泄漏中毒為主要危險，使用QRA計算事故后果。

表1　氯化反應(yīng)器HAZOP分析

2.3QRA分析

在大多數(shù)事故泄漏情形下，危險化學(xué)品泄漏形成的氣云是重氣云[2]。事故后果的計算采用SLAB模型[2]模擬各濃度氯氣隨時間擴散范圍。

由QRA計算結(jié)果可知，當(dāng)氯化反應(yīng)器爆炸引起氯氣泄漏中毒事故時，氯氣泄漏的影響區(qū)無論是重傷區(qū)或死亡區(qū)都呈不斷擴大，而當(dāng)泄漏源切斷后，雖然泄漏影響區(qū)仍在擴大，但致死區(qū)面積迅速減小。當(dāng)泄漏源被切斷后，此時氯氣實際上形成了重氣煙團，沿風(fēng)流向下游擴散，不斷被空氣稀釋。氯氣云團在氣流作用下可以持續(xù)很長時間，雖然已經(jīng)被稀釋，但依然會對人體造成損害。

氯氣的危險濃度取值，見表2。

表2　氯氣危險濃度

氯化反應(yīng)器爆炸引起氯氣泄漏中毒所造成的危害區(qū)域和嚴(yán)重程度隨時間分布是：

圖3　氯氣泄漏中毒事故后果圖

泄漏0.5分鐘后，在半徑30m范圍內(nèi)吸入，可致人立即死亡；在半徑60m范圍內(nèi)吸入0.5h以上，可致人死亡；在半徑70m范圍內(nèi)吸入0.5h以上，可致人重傷。

泄漏1分鐘后，在半徑100m范圍內(nèi)吸入0.5h以上，可致人死亡；在半徑120m范圍內(nèi)吸入0.5h以上，可致人重傷。

泄漏5分鐘后，在半徑220m范圍內(nèi)吸入0.5h以上，可致人死亡，在半徑250m范圍內(nèi)吸入0.5h以上，可致人重傷。

泄漏10分鐘后，在半徑500m范圍內(nèi)吸入0.5h以上，可致人重傷。

2.4HAZOP和QRA綜合風(fēng)險分析與決策

在上述計算結(jié)果涉及區(qū)域內(nèi)，有企業(yè)的中控室、辦公樓等人員密集場所，結(jié)合HAZOP分析的后果等級（見表3）可知，氯化反應(yīng)器爆炸引起氯氣泄漏中毒事故的后果等級是災(zāi)難性的。引起反應(yīng)器爆炸的主要原因是酸苯循環(huán)泵故障，根據(jù)文獻[7]，泵故障的失效頻率為1×10-1，根據(jù)獨立保護層有效性、獨立性和可審查性的判定原則，酸苯循環(huán)泵設(shè)置備用泵（完全相同的冗余設(shè)備）的保護層可靠率為1×10-1，基本工藝控制系統(tǒng)（BPCS）的保護層可靠率為1×10-2，后果發(fā)生的概率為1×10-4，結(jié)合風(fēng)險矩陣（見表4），該氯化裝置由于氯化反應(yīng)器爆炸引起的氯氣泄漏中毒的風(fēng)險等級為C。

表3　后果等級

分析小組決定設(shè)置獨立的安全儀表功能，當(dāng)反應(yīng)器溫度高時，連鎖停進料。根據(jù)企業(yè)具體風(fēng)險控制要求，確定該安全儀表功能的安全完整性等級。當(dāng)該安全儀表功能的保護層可靠率為1×10-2（SIL1）時，后果發(fā)生的概率由1×10-4降為1×10-6，該氯化裝置由于氯化反應(yīng)器爆炸引起的氯氣泄漏中毒的風(fēng)險等級為為E，風(fēng)險可接受。

表4　風(fēng)險矩陣

3 結(jié)束語

（1）盡管HAZOP分析方法是全面、系統(tǒng)、細致的風(fēng)險分析方法之一，對于HAZOP分析辨識出來的潛在危險，分析人員難以準(zhǔn)確地對其風(fēng)險大小和發(fā)生概率進行辨識，需要進一步采取半定量或定量的分析方法，以確定HAZOP分析辨識出來的潛在危險是否可以接受、現(xiàn)有安全措施是否能滿足以及是否需要增加新的安全措施。

（2）提出基于HAZOP和QRA的綜合風(fēng)險分析方法。旨在對裝置進行全面細致的HAZOP分析后，分析潛在危險，篩選主要危險，再對主要危險的事故場景進行定量計算，從而提高項目風(fēng)險分析的全面性和準(zhǔn)確性。

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浙江省科技廳條件建設(shè)項目（2015P10005）